基于晶体塑性理论的面心立方晶体有限元分析

论文摘要

现代工业正在快速发展,工业材料的需求也日益严格,因此对金属材料力学性能的研究也逐渐深入,现阶段已经将研究深入到微观结构。近30年,随着有限元技术的不断发展,研究者们将塑性细观力学和有限元方法联系在一起,实现了晶体变形在有限元软件的模拟。此外,电子背散射衍射也成为晶体细观力学研究极为重要的检测工具,为金属材料晶体结构的力学性能研究做出了突出的贡献。本文通过将晶体塑性理论嵌入到有限元软件Abaqus中,结合电子背散射衍射技术,分别研究了晶体取向对单晶体和多晶体的影响。首先通过Abaqus中的用户子程序建立了基于面心立方晶体塑性理论的有限元模型,将铜单晶的实验参数赋予给有限元模型,将单晶体模拟拉伸后的应力应变曲线与试验结果进行比较,发现结果差别不大,表明建立的面心立方晶体有限元模型时符合实际工程的。当改变实验参数中的晶体取向时,单晶体的应力应变分布也发生变化,证明了单晶体的各向异性。因此将晶体取向作为变量,计算晶体取向对应的施密特因子,得到施密特因子和晶体屈服应力呈负相关关系,与施密特定律一致,这表明晶体取向是会影响单晶体的力学性能的。以单晶体的有限元模型为基础,通过Matlab中的voronoi函数来建立与多晶体微观结构相似的多晶图,并通过脚本将其导入Abaqus中,模拟拉伸过程之后,发现由于晶界的存在,多晶体内部不同区域的累积应变有很大区别,使得微观应力分布不均匀,并且在晶界两侧会出现较大的应力差,因此在晶界处最容易发生损伤。当改变多晶体中的晶体取向时,应变累计区域发生变化,所以多晶体中的晶粒取向会影响金属材料的易损伤部位,会对金属材料的疲劳损伤过程产生影响。同时,通过EBSD技术可以观测和分析多晶体微观织构,定性分析出由于扫描试样取件的圆棒是通过挤压制备的,所以晶粒都是呈条形形状的。因此可以推断出当加工工艺有所差别时,会对金属材料的晶体结构产生影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景介绍
•   1.2 连续介质力学基础
•   1.3 晶体学基础
•     1.3.1 晶体学概念
•     1.3.2 面心立方晶体
•   1.4 国内外研究现状
•   1.5 本文主要研究内容
• 2 晶体塑性有限元方法
•   2.1 有限元思想
•     2.1.1 Abaqus软件
•     2.1.2 用户子程序UMAT
•   2.2 晶体变形过程
•     2.2.1 晶体缺陷
•     2.2.2 单晶体塑性变形
•     2.2.3 多晶体塑性变形
•   2.3 晶体塑性理论
•     2.3.1 运动学和动力学
•     2.3.2 硬化规律
•   2.4 晶体塑性有限元数值解法
•     2.4.1 向前梯度时间积分
•     2.4.2 增量公式
•   2.5 本章小结
• 3 单晶铜的单轴拉伸过程模拟
•   3.1 引言
•   3.2 单晶体模拟过程
•     3.2.1 材料基本信息
•     3.2.2 晶体塑性有限元模拟
•     3.2.3 结果与讨论
•   3.3 各向异性
•   3.4 方位因子与屈服强度关系
•     3.4.1 施密特因子和屈服应力的关系
•     3.4.2 结果与讨论
•   3.5 本章小结
• 4 多晶铝的单轴拉伸模拟
•   4.1 引言
•   4.2 EBSD技术及应用
•   4.3 多晶体模拟过程
•     4.3.1 voronoi模型及有限元实现
•     4.3.2 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孔祥琪

导师: 王正

关键词: 晶体塑性,有限元模拟,面心立方晶体,晶体取向

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,金属学及金属工艺,工业通用技术及设备

单位: 大连理工大学

分类号: TB115;TG111.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001255

总页数: 67

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